Дегазація метановмісних вугільних пластів з використанням свердловинного гідромонітору

Размещено на http://www.allbest.ru/

Інститут геології і геохімії горючих копалин НАН України

Дегазація метановмісних вугільних пластів з використанням свердловинного гідромонітору

Гвоздевич Олег Васильович молодший науковий співробітник

Кульчицька-Жигайло Леся Зиновіївна молодший науковий співробітник

Подольський Мирослав Романович канд. техн. наук, старший науковий співробітник

Україна

Анотація

На прикладі розробленого гідромонітору представлено технологію інтенсифікації' вилучення метану глибоким дренуванням газонасичених вугільних пластів шляхом створення розвинутої системи різнонаправлених радіальних каналів із привибійної зони дегазаційної свердловини. Впровадження технології дозволить збільшити вилучення метановмісного енергетичного продукту, сприятиме підвищенню безпеки шахтарів при видобутку вугілля та зменшенню забруднення атмосфери газовими викидами.

Ключові слова: вугільний пласт, метан, дегазація, дегазаційна свердловина, дренажні канали, свердловинний гідромонітор.

Вступ

Ускладнення гірничо-геологічних та гірничотехнічних умов розробок вугільних родовищ призводить до значного росту метановиділення в гірничі виробки при шахтному видобутку вугілля. Газоносність виробок складає близько 30-40 м3 метану на тонну вугілля. Основними джерелами надходження метану є вугільні пласти та породи, нерозвантажені від гірничого тиску, а також супутники вугільних пластів. Найбільший видобуток метану забезпечується при дегазації супутників вугільних пластів і в порівнянні з дегазацією пластів та вироблених просторів загальне газовиділення збільшується. Концентрація газу СН4 в метаноповітряних сумішах для різних шахт складає від 5-7 % до 70 % і більше [1].

Для ритмічної роботи вугільних лав необхідно підвищувати ефективність дегазації від 50% і вище, суміщаючи при цьому декілька способів дегазації [2]. Комплексна дегазація з використанням її активних способів пов'язана з додатковими витратами та є невід'ємною складовою способу попередньої дегазації вугільних пластів з використанням свердловин, які пробурені з поверхні.

На практиці для дегазації вугільних пластів використовують способи: дегазація спеціальними гірничими виробками; дегазація свердловинами, пробуреними з гірничих виробок; дегазація спеціальними свердловинами, що пробурені з поверхні. Останній спосіб передбачає як дегазацію вугільних пластів, так і дегазацію їх супутників та вміщуючих порід.

Дегазація вугільних пластів підготовчими виробками та пробуреними свердловинами переважно суміщається з процесами видобутку вугілля. Для цього необхідний тривалий час і застосування такого способу дегазації можливе тільки в окремих випадках. Тому виникає необхідність попередньої дегазації шахтних полів свердловинами, пробуреними з поверхні. Дегазація свердловинами здійснюється зазвичай для сильно загазованих вугільних пластів та порід і є ефективною для пластів, що залягають порівняно неглибоко (Львівсько-Волинський кам'яновугільний басейн) [3].

У випадку відсутності розвиненої малоамплітудної тріщинуватості та недостатніх колекторських властивостей пласта для збільшення ефективності видобутку газів (метану) необхідно змінювати гірничотехнічний стан та властивості вугільного масиву. Це можливо, наприклад, здійснити шляхом дії на масив для підвищення його газопроникності. Технологічний вплив на вугільний пласт доцільно здійснювати шляхом попереднього гідророзриву пласта, для чого через пробурені з поверхні свердловини закачують під тиском рідину. При гідророзриві відстань між свердловинами може досягати більше 200 м. При такому способі дегазації відбувається розкриття тріщин, в результаті чого збільшується газопроникність пласта та його газовіддача.

Техніко-економічні переваги дегазації свердловинами полягають в тому, що буріння свердловин та процес дегазації відбуваються незалежно від проведення гірничих робіт. Тоді немає необхідності застосовувати підземні газовідводи та є можливість використовувати високопродуктивну бурову техніку на поверхні. Крім того, спосіб дегазації через свердловини виключає попадання метаноповітряної суміші у підземні виробки. Важливо, що при даному способі дегазації значно покращуються умови утилізації метану.

Найбільш перспективною вважається комплексна дегазація пластів, яка полягає в застосуванні різних методів впливу на об'єкт дегазації. Наприклад, у США дегазацію вміщуючих порід здійснюють за допомогою свердловин, пробурених з поверхні, з наступною обробкою вибійної зони. Практичні роботи показали, що після фізико-хімічної обробки масиву і відкачки рідини газовиділення у місцях шахтного видобутку вугілля різко зменшується. Високі показники ефективності дегазації досягаються також при використанні технології із застосуванням мікроорганізмів для біологічного окислення метану. Дегазація передбачає проведення таких попередніх дій для впливу на газонасичений пласт, при яких покращуються умови вилучення метану з віддалених частин пласта до вибоїв дегазаційних свердловин та збільшується газопроникність пласта. Внаслідок цього підвищується швидкість відбору газу, скорочується час роботи дегазаційної свердловини, досягається більш повне вилучення газу з покладів, створюються можливості скорочення кількості свердловин і об'ємів їх буріння. Такі попередні стадії не виключають наступну фізико-хімічну обробку масиву, а й сприяють підвищенню її ефективності, оскільки покращуються умови проникнення реагентів (зменшується тиск при їх нагнітанні в пласт, збільшується глибина їх проникнення в масив вугілля і, відповідно, поверхня реакції тощо).

Таким чином, штучне підвищення проникності привибійної зони дегазаційних свердловин є перспективним напрямком інтенсифікації процесу вилучення метану з газонасичених вугільних пластів.

Основна частина

Метою даної роботи є показати один з напрямків інтенсифікації вилучення метану глибоким дренуванням газонасичених вугільних пластів шляхом створення розвинутої системи різнонаправлених радіальних каналів із привибійної зони дегазаційної свердловини за допомогою спеціальної свердловинної апаратури. Пропонованим способом та пристроєм для його реалізації забезпечується розкриття вугільного пласта із залученням до дегазації значних об'ємів вугільного масиву. Утворені дренажні канали підключають до дегазації зони порожнин та тріщин, які віддалені від свердловини і є колекторами газу. Дана технологія дає можливість розрядити сітку дегазаційних свердловин та найбільш ефективно провести традиційну дегазацію із застосуванням наступного фізико-хімічного впливу на масив. Глибоке дренування газонасиченого вугільного масиву можливо досягнути шляхом гідроструменевого розмивання породи пласта високонапірним струменем робочої рідини (наприклад, води), скеровуючи його соплом у стінку дегазаційної свердловини.

Перевагами способу дегазації пластів є: можливість створення поярусного дренажу цього вугільного пласта та вміщуючих порід з наступним фізико-хімічним впливом на них; відсутність небезпеки змикання утвореного каналу під дією гірничого тиску (що має місце при гідророзриві пласта), оскільки утворення порожнини каналу йде не через підняття порід, а шляхом розмивання та виносу їх часток; підвищення охоплення процесом дегазації метановмісних порід.

Відомо, що енергія струменя рідини, який з малої відстані під високим тиском витікає з сопла, є достатньою для руйнування навіть твердих порід. Так, наприклад, при перепаді тиску на сопловому насадку гідромонітора близько 15...40 МПа швидкість струменя води призводить до механічного руйнування (розмивання) гірничих порід середньої твердості, а для вугільного пласта значення тиску на сопловому насадку може бути меншим, враховуючи досвід роботи гідрошахт.

У літературі описана достатня кількість різноманітних свердловинних апаратів, які дозволяють проводити дренування пластів струменями робочої рідини. Необхідну довжину каналів забезпечують апарати, у яких рухомий робочий орган із соплом на кінці вводять в канал і скеровують струмінь рідини для розмиву породи. При цьому сопло супроводжує фронт розмивання, зберігаючи малу віддаль від торця каналу весь час протягом роботи з формування каналу. У таких апаратах довжина каналу лімітується тільки довжиною робочого органу [4].

Аналіз відомих конструкцій апаратів для створення радіальних каналів у пласті показує, що найбільш перспективними для глибокого дренування вугільних пластів з метою їх дегазації є свердловинні перфоратори, в яких робочий орган виконано у вигляді гнучкої трубки (зонду), яка вводиться в канал на глибину, що забезпечує селективний вплив на віддалені від свердловин зони пласта для створення системи дренажних каналів, що сполучають порожнину свердловини з газонасиченими частинами вугільного пласта. У всіх випадках ефективність використання свердловинних гідроперфораторів (гідромоніторів) визначається наступними умовами: конструкції вибійної частини апарата і наземної (гирлової) обв'язки свердловини мають бути простими і надійними в експлуатації; монтаж перфоратора в свердловині і його демонтаж повинні проводитись з мінімальним об'ємом опускально-піднімальних операцій; просування сопла в канал має бути автоматичним, дистанційно керованим і контрольованим; конструкція гідроперфоратора повинна передбачати можливість промивання нагнітальної магістралі перед початком роботи, а також промивання свердловини від вугільного шламу після завершення робіт.

Недоліками гідроперфораторів, по-перше, є небезпека закупорки сопла малого діаметру частинками бруду, який змивається потоком рідини зі стінок робочої колони. Це викликає необхідність промивання колони після її спуску в свердловину, що неможливо у згаданих конструкціях. По-друге, в цих апаратах відсутня можливість контролювати процес висування зонду під час проходки каналу і регулювати швидкість опускання поршня в циліндрі. Останнє може призвести до зминання зігнутого зонду при підвищенні тиску нагнітання рідини вище розрахованого.

Було поставлено завдання розробки малогабаритного гідроперфоратора, здатного в свердловинах, які обсаджені колонами малих діаметрів, створювати систему довгих перфораційних каналів для дренування привибійної зони пласта.

В Інституті розроблена технологія дегазації вугільних пластів, суть якої полягає у проведенні свердловинної гідроперфорації у дві стадії. Спочатку циклічно діють на стінку обсадної колони плоскими струменями гідроабразивної суміші (ГАС), обертаючи щілинний сопловий насадок після кожного циклу до створення напроти вихідного отвору відхилювача наскрізного вікна достатньо великого перерізу, а потім, витягнувши із колони насосно-компресорних труб (НКТ) гнучкий патрубок із щілинним сопловим насадком, на його місце опускають гідропривід зонду і крізь створене вікно формують у вугільному пласті дегазаційний канал. Пропонований пристрій має два модулі, один з яких використовується для прорізки віна в стінці обсадної колони, а інший -- для вводу у створене вікно висувного зонду з соплом на кінці для гідроструменевого руйнування породи пласта і проходки каналу [5]. метан дренування газонасичений свердловина

Прорізкою вікна достатньо великого перерізу, крізь яке висувний зонд проходить у пласт, а також гарантованим попаданням висувного зонду у центр вікна при малих габаритах гідроперфоратора забезпечується технічний результат.

Модуль для прорізки колони має гнучкий невисувний патрубок, жорстко закріплений у нижньому торці камери-фільтру, що герметично розміщується у колоні НКТ над відхилювачем, при цьому суттєвим є те, що довжина патрубка з сопловим насадком на вільному кінці дорівнює віддалі від посадкового гнізда камери-фільтру до вихідного отвору відхилювача. Цим гарантується розміщення соплового насадка у вихідному отворі відхилювача і скерування струменя ГАС на стінку обсадної колони.

Виконання сопла насадка гнучкого патрубка у вигляді щілини, що розширюється, або у вигляді віялоподібно розташованих циліндричних отворів, осі яких лежать у площині, яка проходить через вісь гнучкого патрубка, забезпечує гідроабразивну прорізку щілини в стінці обсадної колони, при цьому довжина щілини буде більшою від діаметра патрубка. Це необхідно для прорізки в обсадній колоні вікна з достатньо великим перерізом для вводу крізь нього в пласт висувного зонда.

Пристрій ілюструється рисунком. Свердловинний гідроперфоратор (СГП) складається з відхилювача 1 з напрямним каналом 2, вихідний отвір 3 якого орієнтований на стінку обсадної колони 4, відхилювач 1 опущений всередину обсадної колони 4 на колоні 5 НКТ. Всередину колони 5 на штангах 6 до герметичного упору на посадковому гнізді 7 опускається камера-фільтр 8 на першій стадії перфораційної обробки і контейнер 9 гідроприводу висування зонда 10 на другій стадії обробки.

А) б) Рис. Пристрій свердловинної гідро перфорації

а) -- в режимі гідроабразивної прорізки стінки обсадної колони (на посадковому гнізді встановлена ущільнена камера-фільтр із закріпленим гнучким патрубком);

б) -- в режимі проходки протяжного перфораційного каналу в пласті (на посадковому гнізді розміщено контейнер гідроприводу висування зонда)

На нижньому торці камери-фільтру 8 жорстко кріпиться гнучкий невисувний патрубок 11, що закінчується сопловим насадком 12, отвір якого може бути виконаний у вигляді вузької щілини. У гирлі свердловини колона 5 НКТ має ущільнення 13, крізь яке проходить штанга 6. В стінці камери-фільтра 8 прорізані отвори 14, ширина яких є меншою діаметра сопла насадки 1 2. Ці щілини призначені для захисту соплового насадка 12 від закупорки механічними домішками.

Контейнер гідроприводу висування зонда 10 відноситься до гідроприводів плунжерного типу, у яких можливість поздовжнього пересування зонда 10 з соплом 15 на кінці забезпечується наявністю порожнистого плунжера 16. Плунжер 16 герметизується ущільненням 17, яке встановлюється на перегородці 18 контейнера 9. Знизу до плунжера 16 під'єднано гнучкий зонд 10. Стінки контейнера 10 вище перегородки 18 перфоровані щілинами 19, які відіграють роль фільтра.

Пристрій працює наступним чином. Після герметизації колони 5 НКТ гирловим ущільненням 13 в її порожнину закачують ГАС, наприклад, водо- піщану суміш, під тиском 20-25 МПа. Режим закачування ГАС (тиск та тривалість) попередньо експериментально визначають на поверхні для кожного виду ГАС та товщини стіни обсадної колони.

Після певного часу, достатнього для гарантованого утворення наскрізної щілини в стінці обсадної колони, закачування ГАС в колону 5 припиняють. Піднімаючи штангу 6, витягують гнучкий патрубок 11 з каналу 2 відхилювача 1, після чого повертають штангу 6 навколо осі на довільний кут та знову опускають камеру-фільтр 8 до упору на посадкове гніздо 7. При цьому гнучкий патрубок 11 знову вводять в канал 2 відхилювача 1, повторно закачують ГАС, утворюючи нову щілину, що перетинає попередньо зроблену. Повторюючи цикли гідроабразивної обробки та повертаючи камеру-фільтр 8 з гнучким патрубком 11 після кожного циклу, отримують наскрізне вікно у стінці обсадної колони 4.

Друга стадія технології полягає у створенні дренажного каналу. Робоча рідина, яка закачується по колоні, поступає всередину контейнера через отвори, входить у порожнину плунжера, звідти подається у т зонд. Зонд через вікно в стінці обсадної колони, яке було утворено на першій стадії процесу, направляє струмінь робочої рідини із сопла 15 в породу пласта. При руйнуванні породи плунжер 16 опускається, а зонд 10 з соплом 15 просувається в канал, що створюється.

Висновки

Впровадження свердловинного гідромонітору у вугільну промисловість дозволить: створити у відкритому вибої дегазаційної свердловини багатоярусну різнонаправлену систему дренажних каналів; провести дегазацію одночасно як вугільного пласта, так і його супутників; розрядити сітку свердловин, що пробурені з поверхні у газонасичений вугільний масив.

Інтенсифікація процесу дегазації вугільних пластів дозволить підвищити безпеку шахтарів при видобутку вугілля, утилізувати метан як енергоносій та одночасно зменшити забруднення атмосфери «парниковими» газовими викидами.

Застосування свердловинного гідромонітору не впливає на подальші фізико-хімічні способи обробки вугільного пласта, а лише сприяє ефективності проведення процесу дегазації.

Список використаних джерел

1. Суярко В.Г. (2015). Прогнозування, пошук та розвідка родовищ вуглеводнів: Харків: Фоліо.

2. Енергетична стратегія України до 2050 р. (2022). Міністерство енергетики України.

3. Подольський, М.Р., Бучинська, І.В. & Побережський, А.В. (2023). Засади використання метану вугільних покладів заходу України. Theory and practice of modern science: collection of scientific papers «SCIENTIA» with Proceedings of the VI International Scientific and Theoretical Conference, November 24, 2023. Krakow, Republic of Poland.

4. Забигайло, В.Е., Васючков, Ю.Ф. & Репка, В.В. (1989). Физико-химические методы управления состоянием угольно-породного массива. Киев: Наукова думка.

5. Брик, Д. В. , Павлюк, М. І. & Гвоздевич, О. В. (2010). Геотехнологія дегазації метану вугільних пластів з використанням свердловинних гідромоніторів. Уголь Украины. (11). 42-45.

Размещено на Allbest.ru